JP2020080375A - Manufacturing method and manufacturing apparatus of magnetic resistance element - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の例示的実施形態は、磁気抵抗素子の製造方法及び製造装置に関する。 The exemplary embodiment of the present disclosure relates to a method and an apparatus for manufacturing a magnetoresistive element.
磁気抵抗素子のエッチングに関する技術は、例えば、特許文献１に記載されている。同文献には、窒化チタンをエッチングマスク層として用いる製造方法が開示されている。 A technique relating to the etching of the magnetoresistive element is described in Patent Document 1, for example. The document discloses a manufacturing method using titanium nitride as an etching mask layer.
エッチング後のデバイス形状のバラつきを低減することができる磁気抵抗素子の製造方法及び製造装置が期待されている。 A method and apparatus for manufacturing a magnetoresistive element that can reduce variations in device shape after etching are expected.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、１つの工程では、基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する。１つの工程では、多層膜上に下地層を形成する。１つの工程では、下地層上に、下地層と同一晶構造を有するエッチングマスク層を形成する。 In one exemplary embodiment, a method of manufacturing a magnetoresistive element includes the following steps. That is, in one step, a multilayer film including a metal layer and a magnetic layer is formed on the substrate. In one step, a base layer is formed on the multilayer film. In one step, an etching mask layer having the same crystal structure as the underlayer is formed on the underlayer.
一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子の製造方法及び製造装置によれば、エッチング後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 According to the method and apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to one exemplary embodiment, it is possible to reduce variations in the device shape after etching.
以下、種々の例示的実施形態について説明する。 Various exemplary embodiments are described below.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、１つの工程では、基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する。１つの工程では、多層膜上に下地層を形成する。１つの工程では、下地層上に、下地層と同一晶構造を有するエッチングマスク層を形成する。多層膜上に、エッチングマスク層と同一の結晶構造を有する下地層を形成した場合、エッチングマスク層の結晶性が改善する。 In one exemplary embodiment, a method of manufacturing a magnetoresistive element includes the following steps. That is, in one step, a multilayer film including a metal layer and a magnetic layer is formed on the substrate. In one step, a base layer is formed on the multilayer film. In one step, an etching mask layer having the same crystal structure as the underlayer is formed on the underlayer. When the underlayer having the same crystal structure as the etching mask layer is formed on the multilayer film, the crystallinity of the etching mask layer is improved.
また、エッチングマスク層をエッチングによりパターニングした場合、エッチングマスク層の残渣が減少する。残渣は、デバイス形状に影響を与えるので、このエッチングマスク層を用いて、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 Further, when the etching mask layer is patterned by etching, the residue of the etching mask layer is reduced. Since the residue affects the device shape, it is possible to reduce variations in the device shape after etching the multilayer film by using this etching mask layer.
一つの例示的実施形態において、下地層は酸化マグネシウム層であり、エッチングマスク層は窒化チタン層であることができる。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、立方晶系の塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。窒化チタン（ＴｉＮ）も塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。ＭｇＯの格子定数は０．４２１ｎｍ、ＴｉＮの格子定数は０．４２４ｎｍである。これらの格子定数は近く、ＭｇＯとＴｉＮとの格子整合性は高い。したがって、エッチングマスク層の結晶性が改善し、残渣を低減することができる。 In one exemplary embodiment, the underlayer can be a magnesium oxide layer and the etching mask layer can be a titanium nitride layer. Magnesium oxide (MgO) has a cubic sodium chloride type crystal structure. Titanium nitride (TiN) also has a sodium chloride type crystal structure. The lattice constant of MgO is 0.421 nm, and the lattice constant of TiN is 0.424 nm. These lattice constants are close to each other, and the lattice matching between MgO and TiN is high. Therefore, the crystallinity of the etching mask layer is improved and the residue can be reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さは０．３ｎｍ以上であることができる。この場合、エッチングマスク層の残渣の密度を著しく低減させることができる。 In one exemplary embodiment, the magnesium oxide layer can have a thickness of 0.3 nm or more. In this case, the residue density of the etching mask layer can be significantly reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さは１．６ｎｍ以下であることができる。この場合、酸化マグネシウム層をトンネルできる電子数が増加し、十分にＭＲ比が高くなる。 In one exemplary embodiment, the magnesium oxide layer can have a thickness of 1.6 nm or less. In this case, the number of electrons that can tunnel through the magnesium oxide layer increases, and the MR ratio becomes sufficiently high.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、エッチングマスク層をパターニングする工程と、パターニングされたエッチングマスク層をマスクとして、多層膜をエッチングする工程とを含むことができる。エッチングマスク層の結晶性は改善しているので、エッチング後の残渣が減少し、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 In one exemplary embodiment, a method of manufacturing a magnetoresistive element may include a step of patterning an etching mask layer and a step of etching a multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask. Since the crystallinity of the etching mask layer is improved, residues after etching are reduced, and variations in device shape after etching the multilayer film can be reduced.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造装置は、基板上の成膜の制御を行うコントローラを備える。コントローラは、上述の工程を実行することができ、同様の作用効果を奏する。 In one exemplary embodiment, a magnetoresistive element manufacturing apparatus includes a controller that controls film formation on a substrate. The controller can execute the above-mentioned steps, and achieves the same operational effect.
以下、図面を参照して種々の例示的実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附することとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, various exemplary embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
図１及び図２は、一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子（中間体）の縦断面構成を示す図である。図１に示す磁気抵抗素子１０（中間体）は、複数の磁気抵抗素子を含んでおり、エッチングによって分離することで、１つの磁気抵抗素子となる。図２は、エッチングマスク層としても機能する上部電極層７をエッチングした直後の状態を示している。上部電極層７をエッチングマスク層として、開口直下の領域を基板１の表面までエッチングすると、基板上に２つの磁気抵抗素子が並んで配置されることになる。 FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing a vertical cross-sectional configuration of a magnetoresistive element (intermediate) according to one exemplary embodiment. The magnetoresistive element 10 (intermediate body) shown in FIG. 1 includes a plurality of magnetoresistive elements and is separated into one magnetoresistive element by etching. FIG. 2 shows a state immediately after etching the upper electrode layer 7 which also functions as an etching mask layer. When the region immediately below the opening is etched to the surface of the substrate 1 using the upper electrode layer 7 as an etching mask layer, two magnetoresistive elements are arranged side by side on the substrate.
磁気抵抗素子は、基板１上に順次積層された下部電極層２、固定層３、トンネル障壁層４、自由層５、下地層６及び上部電極層７を備えている。固定層３と自由層５の磁化の向きが平行の場合には、磁気抵抗素子の抵抗は低くなる。固定層３と自由層５の磁化の向きが反平行の場合には、磁気抵抗素子の抵抗は高くなる。固定層３及び自由層５は、強磁性体からなるが、自由層５は、固定層３と比較して、磁化の向きが変化しやすい。固定層３の磁化の向きを固定するには、その厚みを自由層５の厚みよりも大きくする方法、反強磁性層を交換結合させる方法、非磁性層を強磁性層で挟み交換結合させる方法がある。 The magnetoresistive element includes a lower electrode layer 2, a fixed layer 3, a tunnel barrier layer 4, a free layer 5, an underlayer 6, and an upper electrode layer 7 which are sequentially stacked on a substrate 1. When the magnetization directions of the fixed layer 3 and the free layer 5 are parallel, the resistance of the magnetoresistive element is low. When the magnetization directions of the fixed layer 3 and the free layer 5 are antiparallel, the resistance of the magnetoresistive element becomes high. The fixed layer 3 and the free layer 5 are made of a ferromagnetic material, but the free layer 5 is more likely to change the magnetization direction than the fixed layer 3. In order to fix the magnetization direction of the fixed layer 3, a method of making the thickness thereof larger than that of the free layer 5, a method of exchange coupling an antiferromagnetic layer, and a method of sandwiching a nonmagnetic layer between ferromagnetic layers and performing exchange coupling. There is.
トンネル障壁層４は、絶縁層から構成され、トンネル効果により、電子が通過できる厚さに設定されている。 The tunnel barrier layer 4 is composed of an insulating layer and has a thickness that allows electrons to pass therethrough due to a tunnel effect.
下部電極層２及び上部電極層７は、金属などの導電体からなる。基板１は、半導体からなる。ここで、上部電極層７の直下には、下地層６が配置されている。また、下地層６と自由層５との間には、導電性の接着層ＡＤが介在しており、自由層５と下地層６とを接着している。接着層ＡＤは、Ｒｕなどの金属を用いることができる。Ｒｕは、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ）に属しており、白金族元素は、融点が高いため、一般的な高融点金属（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ）にも性質が類似する。したがって、接着層ＡＤとしては、Ｒｕが好ましいが、その他の金属元素を用いることも可能である。 The lower electrode layer 2 and the upper electrode layer 7 are made of a conductor such as metal. The substrate 1 is made of semiconductor. Here, the base layer 6 is arranged immediately below the upper electrode layer 7. In addition, a conductive adhesive layer AD is interposed between the underlayer 6 and the free layer 5 to bond the free layer 5 and the underlayer 6 together. A metal such as Ru can be used for the adhesive layer AD. Ru belongs to platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), and since the platinum group element has a high melting point, it is a general refractory metal (Ta, W, Mo, Nb). Are similar in nature. Therefore, Ru is preferable as the adhesive layer AD, but it is also possible to use other metal elements.
磁気抵抗素子の材料例は、以下の通りである。 Examples of materials for the magnetoresistive element are as follows.
（実施例１）
・上部電極層７：ＴｉＮ（導体）：厚み９０ｎｍ
・下地層６：ＭｇＯ（絶縁体）：厚み０．２ｎｍ〜２ｎｍ
・接着層ＡＤ：Ｒｕ（導体）：厚み１０ｎｍ
・自由層５：ＣｏＦｅを含む層構造（強磁性体）：合計厚み４．９ｎｍ
・トンネル障壁層４：ＭｇＯ（絶縁体）：厚み１ｎｍ
・固定層３：ＣｏＰｔ（強磁性体）／Ｒｕ／ＣｏＰｔを含む層構造：合計厚み１３．１ｎｍ
・下部電極層２：Ｔａ（導体）を含む電極層：厚み６３ｎｍ
・基板１：Ｓｉ（表面にＳｉＯ２層を有する）
接着層ＡＤと基板１との間に位置する多層膜は、磁気抵抗素子の本体部であるが、実施例１は単なる一例であり、多層膜の組み合わせの層構造は無数に存在する。また、多層膜の構造は、上部電極層７のエッチングに対する効果には、ほとんど影響を与えないと考えられる。
(Example 1)
-Upper electrode layer 7: TiN (conductor): thickness 90 nm
Underlayer 6: MgO (insulator): thickness 0.2 nm to 2 nm
Adhesion layer AD: Ru (conductor): thickness 10 nm
Free layer 5: layer structure containing CoFe (ferromagnetic material): total thickness 4.9 nm
-Tunnel barrier layer 4: MgO (insulator): thickness 1 nm
Fixed layer 3: Layer structure containing CoPt (ferromagnetic material)/Ru/CoPt: total thickness 13.1 nm
-Lower electrode layer 2: electrode layer containing Ta (conductor): thickness 63 nm
Substrate 1: Si (having a SiO 2 layer on the surface)
The multilayer film located between the adhesive layer AD and the substrate 1 is the main body of the magnetoresistive element, but the first embodiment is merely an example, and there are innumerable layer structures of combinations of multilayer films. Moreover, it is considered that the structure of the multilayer film has almost no influence on the effect of the upper electrode layer 7 on the etching.
（比較例）
比較例の構造は、実施例１から下地層６を除いた構造であり、接着層ＡＤ上に直接、上部電極層７が配置される。
(Comparative example)
The structure of the comparative example is a structure obtained by removing the base layer 6 from the example 1, and the upper electrode layer 7 is arranged directly on the adhesive layer AD.
上部電極層７をパターニングする場合には、この上にＢＡＲＣ層８（反射防止膜）、レジスト層９を順次形成する（図２参照）。レジスト層９をパターニングした後、これをマスクとして、ＢＡＲＣ層８をドライエッチングし、さらに、上部電極層７をドライエッチングする。この段階で、エッチングされた箇所を電子顕微鏡で観察した。 When patterning the upper electrode layer 7, a BARC layer 8 (antireflection film) and a resist layer 9 are sequentially formed on the upper electrode layer 7 (see FIG. 2). After patterning the resist layer 9, the BARC layer 8 is dry-etched using this as a mask, and the upper electrode layer 7 is further dry-etched. At this stage, the etched portion was observed with an electron microscope.
比較例の構造においては、接着層ＡＤ上に無数のＴｉＮの残渣が観察された（図８参照）。一方、実施例１の構造においては、下地層６上の残渣Ｒの密度は、比較例の構造よりも著しく減少した（図９参照）。すなわち、下地層６を設けることにより、残渣の密度が減少することが判明した。これは、下地層６を用いることにより、上部電極層７の結晶性が改善していることが原因と考えられる。上部電極層７の結晶性が著しく悪ければ、エッチングが不均一になり、残渣が増加しやすいからである。下地層６を構成するＭｇＯの厚みＴが厚くなるほど、残渣は減少するが、厚みＴが１．２ｎｍを超えると、ＭＲ比が減少を始める。厚みＴが１．６ｎｍを超えると、ＭＲ比は大きく低下する。ＭｇＯの形成するトンネル障壁を電子が通過できなくなるからと考えられる。これに伴い、厚みＴが１．６ｎｍを超えると、磁気抵抗素子の面抵抗ＲＡ（Ω・μｍ２）が著しく増加する。 In the structure of the comparative example, innumerable TiN residues were observed on the adhesive layer AD (see FIG. 8). On the other hand, in the structure of Example 1, the density of the residue R on the underlayer 6 was significantly reduced as compared with the structure of the comparative example (see FIG. 9). That is, it was found that the density of the residue was reduced by providing the underlayer 6. It is considered that this is because the crystallinity of the upper electrode layer 7 is improved by using the underlayer 6. This is because if the crystallinity of the upper electrode layer 7 is extremely poor, the etching becomes nonuniform and the amount of residues tends to increase. The residue decreases as the thickness T of MgO forming the underlayer 6 increases, but when the thickness T exceeds 1.2 nm, the MR ratio starts decreasing. When the thickness T exceeds 1.6 nm, the MR ratio is greatly reduced. It is considered that electrons cannot pass through the tunnel barrier formed by MgO. Along with this, when the thickness T exceeds 1.6 nm, the sheet resistance RA (Ω·μm 2 ) of the magnetoresistive element remarkably increases.
なお、実施例１の多層膜の構造は、上部電極層７のエッチングに対する効果には、ほとんど影響を与えないと考えられるが、具体的には、自由層以下の層構造は、上から順番に以下の通りである。なお、ＣｏＦｅＢ２５は、ホウ素の含有率２５％のＣｏＦｅであり、上部の自由層５内に位置するＭｇＯ層はキャップ層である。また、Ｃｏ層とＰｔ層の積層構造は、ＣｏＰｔ層として機能することができる。 The structure of the multilayer film of Example 1 is considered to have almost no effect on the effect of etching the upper electrode layer 7. Specifically, the layer structure of the free layer and below is, in order, from the top. It is as follows. Note that CoFeB25 is CoFe with a boron content of 25%, and the MgO layer located in the upper free layer 5 is a cap layer. Further, the laminated structure of the Co layer and the Pt layer can function as a CoPt layer.
（実施例１の層構造の具体的な例）
・自由層５：
・ＣｏＦｅＢ２５：厚み１ｎｍ
・ＭｇＯ：厚み１ｎｍ（キャップ層）
・ＣｏＦｅＢ２５：厚み１ｎｍ
・Ｗ：厚み０．５ｎｍ
・ＣｏＦｅＢ２５：厚み１．４ｎｍ
・トンネル障壁層４
・ＭｇＯ：厚み１ｎｍ
・固定層３
・ＣｏＦｅＢ２５：厚み１．２ｎｍ
・Ｗ：厚み０．５ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｒｕ：厚み１ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み０．３ｎｍ
・Ｃｏ：厚み０．５ｎｍ
・Ｐｔ：厚み３ｎｍ
・下部電極層２：
・ＴａＮ：厚み１０ｎｍ
・Ｒｕ：厚み２０ｎｍ
・ＴａＮ：厚み１０ｎｍ
・Ｒｕ：厚み２０ｎｍ
・Ｔａ：厚み３ｎｍ
図３は、ＭｇＯ層の厚さＴ（ｎｍ）とＴｉＮの残渣密度ＤＮ（個／μｍ２）の関係を示すグラフである。なお、図８、図９、図１０、図１１は、それぞれ、Ｔ＝０、Ｔ＝０．２ｎｍ、Ｔ＝０．３ｎｍ、Ｔ＝０．４ｎｍの場合の磁気抵抗素子の縦断面ＳＥＭ写真を示す図である。
(Specific Example of Layer Structure of Example 1)
・Free layer 5:
・CoFeB25: thickness 1 nm
・MgO: thickness 1 nm (cap layer)
・CoFeB25: thickness 1 nm
・W: thickness 0.5 nm
・CoFeB25: thickness 1.4 nm
・Tunnel barrier layer 4
・MgO: thickness 1 nm
・Fixed layer 3
CoFeB25: thickness 1.2 nm
・W: thickness 0.5 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Ru: thickness 1 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: Thickness 0.3 nm
・Co: Thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 3 nm
・Lower electrode layer 2:
・TaN: thickness 10 nm
・Ru: thickness 20 nm
・TaN: thickness 10 nm
・Ru: thickness 20 nm
・Ta: thickness 3 nm
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness T (nm) of the MgO layer and the TiN residue density D N (pieces/μm 2 ). Note that FIG. 8, FIG. 9, FIG. 10, and FIG. 11 are longitudinal section SEM photographs of the magnetoresistive element when T=0, T=0.2 nm, T=0.3 nm, and T=0.4 nm, respectively. FIG.
ＭｇＯの下地層６を用いない比較例では、残渣密度ＤＮは２８５（個／μｍ２）であった（図８参照）が、下地層６を用いた実施例１では、残渣密度ＤＮは減少した。下地層６の厚みＴ＝０．２（ｎｍ）ではＤＮ＝６５（個／μｍ２）となり（図９参照）、厚みＴ＝０．３（ｎｍ）ではＤＮ＝０（個／μｍ２）となった（図１０参照）。厚みＴ＝０．４（ｎｍ）ではＤＮ＝０（個／μｍ２）である（図１１参照）。すなわち、厚みＴ≧０．３（ｎｍ）ではＤＮ＝０（個／μｍ２）である。 In the comparative example in which the underlayer 6 of MgO was not used, the residue density D N was 285 (pieces/μm 2 ) (see FIG. 8), but in Example 1 in which the underlayer 6 was used, the residue density D N was Diminished. When the thickness T of the base layer 6 is 0.2 (nm), DN =65 (pieces/μm 2 ) (see FIG. 9), and when the thickness T=0.3 (nm), D N =0 (pieces/μm 2 ). ) (See FIG. 10). At a thickness T=0.4 (nm), D N =0 (pieces/μm 2 ) (see FIG. 11). That is, when the thickness T≧0.3 (nm), D N =0 (pieces/μm 2 ).
残渣減少の観点からは、０（ｎｍ）＜Ｔが好ましい。さらに、０．２（ｎｍ）＜Ｔが好ましい。さらに、０．３（ｎｍ）＜Ｔが好ましい。 From the viewpoint of reducing the residue, 0 (nm)<T is preferable. Furthermore, 0.2 (nm)<T is preferable. Furthermore, 0.3 (nm)<T is preferable.
図４は、ＭｇＯ層の厚さＴ（ｎｍ）と磁気抵抗変化率（ＭＲ比）ＭＲ（％）の関係を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness T (nm) of the MgO layer and the magnetoresistance change rate (MR ratio) MR (%).
ＭｇＯの下地層６を用いない比較例では、ＭＲ比の値ＭＲ＝１５３（％）であったが、下地層６を用いた実施例１では、ＭＲ比は増加し、下地層６の厚みＴ＝０．４（ｎｍ）ではＭＲ＝１６０（％）となった。下地層６の厚みＴ＝０．８（ｎｍ）ではＭＲ＝１６３（％）と更に更に増加した。下地層６の厚みＴ＝１．２（ｎｍ）ではＭＲ＝１６４（％）と更に更に増加する。下地層６の厚みＴ＝１．６（ｎｍ）ではＭＲ＝１３８（％）であり、残渣が減少するという効果はあるものの、ＭＲ比は若干低下する。下地層６の厚みＴ＞１．２（ｎｍ）ではＭＲ比は低下を始め、下地層６の厚みＴ＞１．６（ｎｍ）ではＭＲ比は大きく低下を始める。 In the comparative example in which the underlayer 6 of MgO is not used, the MR ratio value MR=153 (%), but in Example 1 in which the underlayer 6 is used, the MR ratio increases and the thickness T of the underlayer 6 increases. =0.4 (nm), MR=160 (%). When the thickness T of the underlayer 6 was 0.8 (nm), the MR ratio was 163 (%), which was further increased. When the thickness T of the underlayer 6 is 1.2 (nm), MR further increases to 164 (%). When the thickness T of the underlayer 6 is 1.6 (nm), MR is 138 (%), and although there is an effect of reducing the residue, the MR ratio is slightly lowered. When the thickness T of the base layer 6>1.2 (nm), the MR ratio starts to decrease, and when the thickness T>1.6 (nm) of the base layer 6, the MR ratio starts to decrease significantly.
ＭＲ比の観点からは、０（ｎｍ）＜Ｔ≦１．６（ｎｍ）が好ましい。さらに、０（ｎｍ）＜Ｔ≦１．２（ｎｍ）が好ましい。さらに、０．４（ｎｍ）≦Ｔ≦１．２（ｎｍ）が好ましい。さらに、０．４（ｎｍ）≦Ｔ≦１．２（ｎｍ）が好ましい。さらに、０．８（ｎｍ）≦Ｔ≦１．２（ｎｍ）が好ましい。 From the viewpoint of MR ratio, 0 (nm)<T≦1.6 (nm) is preferable. Further, 0 (nm)<T≦1.2 (nm) is preferable. Furthermore, 0.4 (nm)≦T≦1.2 (nm) is preferable. Furthermore, 0.4 (nm)≦T≦1.2 (nm) is preferable. Furthermore, 0.8 (nm)≦T≦1.2 (nm) is preferable.
図５は、ＭｇＯ層の厚さＴ（ｎｍ）と面抵抗ＲＡ（Ω・μｍ２）の関係を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness T (nm) of the MgO layer and the sheet resistance RA (Ω·μm 2 ).
磁気抵抗素子の面抵抗の観点からは、Ｔ≦１．６ｎｍであることが好ましい。厚みＴが１．６ｎｍを超えると、面抵抗が急激に増加を始めるからである。 From the viewpoint of the sheet resistance of the magnetoresistive element, T≦1.6 nm is preferable. This is because, if the thickness T exceeds 1.6 nm, the sheet resistance will start to rapidly increase.
なお、関連実験として、実施例１の下地層としてのＭｇＯ層（１００）の厚みＴをＴ＝０ｎｍ、Ｔ＝１ｎｍ、Ｔ＝３ｎｍと変化させた。ＭｇＯ層の厚みを増加させると、Ｘ線回折測定の結果によれば、下地層の上に形成されるＴｉＮ（２００）のピークの高さは、ＭｇＯの厚みが増加するほど増加し、半値幅も狭くなった。Ｔ＝０ｎｍの場合のＴｉＮ（２００）のピーク値＝３０２とし、Ｔ＝１ｎｍの場合のピーク値＝４６５、Ｔ＝３ｎｍの場合のピーク値＝８０１であった。これにより、ＭｇＯ層を下地層として使うことにより、ＴｉＮ層の結晶性が向上していることが分かる。 As a related experiment, the thickness T of the MgO layer (100) as the underlayer of Example 1 was changed to T=0 nm, T=1 nm, and T=3 nm. When the thickness of the MgO layer was increased, according to the result of X-ray diffraction measurement, the height of the peak of TiN (200) formed on the underlayer was increased as the thickness of MgO was increased, and the full width at half maximum was obtained. Became narrower. The peak value of TiN (200) when T=0 nm was 302, the peak value when T=1 nm was 465, and the peak value when T=3 nm was 801. This shows that the crystallinity of the TiN layer is improved by using the MgO layer as the underlayer.
（製造方法）
上記の各層は、成膜装置によって形成することができる。成膜には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法の他、スパッタ法を用いることができる。マグネトロン・スパッタ装置においては、Ａｒ又はＫｒなどの希ガスをプラズマ化し、これを用いて、対象となる材料を含有するターゲットをスパッタし、スパッタされた原子を基板１上に堆積させる。酸化物層の形成においては、スパッタ時に酸素ガスを導入すればよい。窒化物層の形成においては、スパッタ時に窒素ガスを導入すればよい。
(Production method)
Each of the above layers can be formed by a film forming apparatus. For the film formation, a chemical vapor deposition (CVD) method or a sputtering method can be used. In the magnetron sputtering apparatus, a rare gas such as Ar or Kr is turned into plasma, and a target containing a material of interest is sputtered to deposit the sputtered atoms on the substrate 1. In forming the oxide layer, oxygen gas may be introduced at the time of sputtering. In forming the nitride layer, nitrogen gas may be introduced during sputtering.
実施例１の層構造の形成においては、まず。基板１としてＳｉ基板を用意し、表面を熱酸化してＳｉＯ２層を形成する。次に、上述の層構造を、下から順番に形成する。各層の形成方法は、以下の通りである。 In forming the layer structure of Example 1, first. A Si substrate is prepared as the substrate 1, and its surface is thermally oxidized to form a SiO 2 layer. Next, the above-mentioned layer structure is formed in order from the bottom. The method of forming each layer is as follows.
・Ｔａ層：スパッタのターゲットとしてＴａを用い、Ｔａ層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＫｒである。 -Ta layer: Ta is used as a sputtering target to form a Ta layer. The gas that generates the plasma for sputtering is Kr.
・Ｒｕ層：スパッタのターゲットとしてＲｕを用い、Ｒｕ層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＡｒである。 -Ru layer: A Ru layer is formed by using Ru as a sputtering target. The gas that generates the plasma for sputtering is Ar.
・ＴａＮ層：スパッタのターゲットとしてＴａを用い、Ｔａのスパッタ時に窒素ガスを処理容器内に導入することで、ＴａＮ層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＡｒとＮ２である。 -TaN layer: Ta is used as a sputtering target, and a TaN layer is formed by introducing nitrogen gas into the processing container during sputtering of Ta. Gases that generate plasma for sputtering are Ar and N 2 .
・Ｃｏ層：スパッタのターゲットとしてＣｏを用い、Ｃｏ層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＫｒである。 Co layer: Co is used as a sputtering target to form a Co layer. The gas that generates the plasma for sputtering is Kr.
・Ｐｔ層：スパッタのターゲットとしてＰｔを用い、Ｐｔ層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＫｒである。 Pt layer: Pt is used as a sputtering target to form a Pt layer. The gas that generates the plasma for sputtering is Kr.
・Ｗ層：スパッタのターゲットとしてＷを用い、Ｗ層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＫｒである。 -W layer: W is formed as a sputtering target to form a W layer. The gas that generates the plasma for sputtering is Kr.
・ＣｏＦｅＢ２５層：スパッタのターゲットとしてＣｏＦｅＢ２５を用い、ＣｏＦｅＢ２５層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはＡｒである。 CoFeB25 layer: CoFeB25 is used as a sputtering target to form a CoFeB25 layer. The gas that generates the plasma for sputtering is Ar.
・ＭｇＯ層：スパッタのターゲットとしてＭｇを用い、Ｍｇ層を形成した後、Ｏ２ガスを導入してＭｇを酸化させ、ＭｇＯを形成する。Ｍｇのスパッタ用のプラズマを発生するガスはＡｒである。なお、形成されたＭｇＯ層の表面はＭｇＯ（１００）面である。 -MgO layer: Using Mg as a sputtering target, after forming the Mg layer, O2 gas is introduced to oxidize the Mg to form MgO. The gas that generates the plasma for sputtering Mg is Ar. The surface of the formed MgO layer is the MgO(100) plane.
以上のように、スパッタ時のターゲットとして、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｗ，ＣｏＦｅＢ２５、Ｍｇの７種類があれば、上述の層構造を形成することができる。 As described above, if there are seven kinds of targets of Ta, Ru, Co, Pt, W, CoFeB25, and Mg as targets during sputtering, the above layer structure can be formed.
図６は、一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子の製造装置の構成を示す図である。基板１としてのＳｉウエハは、ロードロック室１６を介して、搬送室１５に搬送される。基板１上の成膜を行う場合には、搬送室１５から、プラズマ処理装置としての成膜チャンバＰ１のステージＳ１上に基板１は搬送される。基板１上のエッチングを行う場合には、搬送室１５から、プラズマ処理装置としてのエッチングチャンバＰ２のステージＳ２上に基板１は搬送される。搬送は、搬送室内に配置された搬送ロボット（ロボットアーム）が行う。 FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a magnetoresistive element manufacturing apparatus according to an exemplary embodiment. The Si wafer as the substrate 1 is transferred to the transfer chamber 15 via the load lock chamber 16. When forming a film on the substrate 1, the substrate 1 is transferred from the transfer chamber 15 onto the stage S1 of the film forming chamber P1 as the plasma processing apparatus. When etching the substrate 1, the substrate 1 is transferred from the transfer chamber 15 onto the stage S2 of the etching chamber P2 as a plasma processing apparatus. The transfer is performed by a transfer robot (robot arm) arranged in the transfer chamber.
成膜チャンバＰ１には、処理ガスが、流量制御装置１２を介して、ガス供給源１１から供給されている。処理ガスは、プラズマを生成するためのＡｒ、Ｋｒ、酸化や窒化を行うためのＯ２やＮ２である。エッチングチャンバＰ２には、エッチング用ガスが、流量制御装置１２を介して、ガス供給源１１から供給されている。 The processing gas is supplied from the gas supply source 11 to the film forming chamber P1 via the flow rate control device 12. The processing gas is Ar and Kr for generating plasma, and O 2 and N 2 for performing oxidation and nitriding. The etching gas is supplied to the etching chamber P2 from the gas supply source 11 via the flow rate control device 12.
成膜チャンバＰ１は、複数のターゲットＴＧを収容したＲＦマグネトロン・スパッタ装置であり、ステージＳ１とターゲットＴＧとの間には、高周波電源１４から高周波電圧（１３．５６ＭＨｚ）が印加される。搬送室１５、ロードロック室１６、成膜チャンバＰ１、エッチングチャンバＰ２は、それぞれ複数の排気装置１７にそれぞれ接続されており、必要に応じて、内部のガスが排気される。なお、同図では、排気装置１７のブロックは１つであるが、複数の排気装置を意味している。処置ガスが、成膜チャンバＰ１内に導入され、内部の圧力が減圧されると、高周波電源１４から、指定のターゲットＴＧに電力供給が行われ、チャンバ内にプラズマが発生する。このプラズマのガスが、ターゲットＴＧをスパッタすることで、ターゲット材料が基板上に堆積される。 The film forming chamber P1 is an RF magnetron sputtering apparatus containing a plurality of targets TG, and a high frequency voltage (13.56 MHz) is applied from the high frequency power supply 14 between the stage S1 and the target TG. The transfer chamber 15, the load lock chamber 16, the film forming chamber P1, and the etching chamber P2 are respectively connected to a plurality of exhaust devices 17, and the internal gas is exhausted if necessary. In the figure, the exhaust device 17 has one block, but it means a plurality of exhaust devices. When the treatment gas is introduced into the film forming chamber P1 and the internal pressure is reduced, the high frequency power supply 14 supplies power to the designated target TG, and plasma is generated in the chamber. This plasma gas sputters the target TG, so that the target material is deposited on the substrate.
同図では、ターゲットＴＧの数は３つを示しているが、これは７種類のターゲット（Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｗ，ＣｏＦｅＢ２５、Ｍｇ）を成膜チャンバ内に配置することも可能である。ターゲットＴＧの数は、必要に応じて、変更することができ、また、ターゲット自体を入れ替えることも可能である。 In the figure, the number of targets TG is three, but it is also possible to arrange seven types of targets (Ta, Ru, Co, Pt, W, CoFeB25, Mg) in the film forming chamber. is there. The number of target TGs can be changed as necessary, and the targets themselves can be replaced.
エッチングチャンバＰ２は、プラズマエッチング装置であり、一般には、平行平板型のプラズマエッチング装置を用いることができるが、その他のエッチング装置も用いることができる。この場合、ステージＳ２と上部電極との間には、高周波電源１４から高周波電圧（１３．５６ＭＨｚ）が印加される。高周波電源１４から、上部電極に電力供給が行われると、チャンバ内にプラズマが発生する。このプラズマのガスが、基板上に到達することで、基板表面上の層がエッチングされる。ドライエッチング時に導入されるガスとしては、ＣＯとＯ２の混合ガスなどである。 The etching chamber P2 is a plasma etching apparatus. Generally, a parallel plate type plasma etching apparatus can be used, but other etching apparatuses can also be used. In this case, a high frequency voltage (13.56 MHz) is applied from the high frequency power supply 14 between the stage S2 and the upper electrode. When power is supplied to the upper electrode from the high frequency power supply 14, plasma is generated in the chamber. When the plasma gas reaches the substrate, the layer on the substrate surface is etched. The gas introduced during the dry etching is a mixed gas of CO and O 2 .
コントローラ１３は、成膜チャンバＰ１、エッチングチャンバＰ２、搬送室１５の搬送ロボットを制御し、上述の積層構造を形成し、磁気抵抗素子を形成する制御を行う。 The controller 13 controls the transfer robots of the film forming chamber P1, the etching chamber P2, and the transfer chamber 15 to form the above-described laminated structure and form a magnetoresistive element.
図７は、一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子の製造方法を示すフローチャートである。磁気抵抗素子の本体として、自由層５以下の層は、基板１上にすでに形成されているものとする。自由層５以下の層は、各層を構成する材料のターゲットを積層の順番通りに選択し、対応する処理ガスを成膜チャンバＰ１に導入すれば、形成することができる。上記の実施例１の条件の場合、自由層５の形成後、最表面には、ＣｏＦｅＢ２５層が形成されている。本例では、自由層５の形成された基板を成膜チャンバＰ１のステージＳ１上に配置し、図１の構造に示すように、自由層５上に、Ｒｕ層からなる接着層ＡＤを、スパッタ法で自由層５上に形成する（Ｓ１１）。次に、ＭｇＯ層からなる下地層６を、スパッタ法で、接着層ＡＤ上に形成する（Ｓ１２）。続いて、ＴｉＮ層からなるハードマスク層としての上部電極層７をスパッタ法で、下地層６上に形成する（Ｓ１３）。 FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetoresistive element according to an exemplary embodiment. As the main body of the magnetoresistive element, the layers below the free layer 5 are assumed to be already formed on the substrate 1. The layers below the free layer 5 can be formed by selecting the targets of the materials forming the respective layers in the order of stacking and introducing the corresponding processing gas into the film forming chamber P1. Under the conditions of Example 1 described above, after the free layer 5 is formed, the CoFeB25 layer is formed on the outermost surface. In this example, the substrate on which the free layer 5 is formed is placed on the stage S1 of the film forming chamber P1, and as shown in the structure of FIG. 1, an adhesion layer AD made of a Ru layer is sputtered on the free layer 5. It is formed on the free layer 5 by the method (S11). Next, the base layer 6 made of a MgO layer is formed on the adhesive layer AD by the sputtering method (S12). Subsequently, the upper electrode layer 7 as a hard mask layer made of a TiN layer is formed on the base layer 6 by the sputtering method (S13).
次に、ハードマスク層のパターニングを行う。まず、搬送室１５の搬送ロボットを制御し、ロードロック室１６までウエハ（基板）を搬送し、ロードロック室１６からウエハを取り出す。上部電極層７上にＢＡＲＣ層８（反射防止膜）の形成、レジスト層９を順次形成する（Ｓ１４：図２参照）。ＢＡＲＣ層８の材料は、ＳｉＯ２であり、形成方法は、スピンコートである。レジスト層９は、市販のフォトレジストをスピンコートで塗布することにより形成する。レジスト層９をプリベークした後、ウエハを露光装置に搬送し、レジスト層９を所望のパターンで露光する（Ｓ１５）。次に、レジスト層９を、現像装置に搬送し、現像液を用いて、レジスト層９の現像処理を行い、レジスト層９をパターニングする（Ｓ１６）。しかる後、レジスト層９のポストベークを行う。 Next, the hard mask layer is patterned. First, the transfer robot in the transfer chamber 15 is controlled to transfer a wafer (substrate) to the load lock chamber 16 and take out the wafer from the load lock chamber 16. A BARC layer 8 (antireflection film) and a resist layer 9 are sequentially formed on the upper electrode layer 7 (S14: see FIG. 2). The material of the BARC layer 8 is SiO 2 , and the forming method is spin coating. The resist layer 9 is formed by applying a commercially available photoresist by spin coating. After pre-baking the resist layer 9, the wafer is transferred to an exposure device and the resist layer 9 is exposed in a desired pattern (S15). Next, the resist layer 9 is conveyed to a developing device, the resist layer 9 is developed using a developing solution, and the resist layer 9 is patterned (S16). Then, the resist layer 9 is post-baked.
次に、ウエハをロードロック室１６に導入し、搬送室１５の搬送ロボットを制御して、ロードロック室１６からエッチングチャンバＰ２までウエハを搬送する。しかる後、レジスト層９をマスクとして、ＢＡＲＣ層をプラズマ・ドライエッチングする（Ｓ１７）。エッチングチャンバＰ２に導入するドライエッチング用のガスは、フッ素系のガスであり、具体的には、ＣＨＦ３、ＣＦ４である。 Next, the wafer is introduced into the load lock chamber 16, and the transfer robot in the transfer chamber 15 is controlled to transfer the wafer from the load lock chamber 16 to the etching chamber P2. Then, the BARC layer is subjected to plasma dry etching using the resist layer 9 as a mask (S17). The gas for dry etching introduced into the etching chamber P2 is a fluorine-based gas, and specifically, CHF 3 and CF 4 .
続いて、レジスト層９及びＢＡＲＣ層８をマスクとして、上部電極層７（ハードマスク層）をプラズマ・ドライエッチングする（Ｓ１８）。エッチングチャンバＰ２に導入するドライエッチング用のガスは、塩素系のガスであり、具体的には、Ｃｌ２、ＢＣｌ４、ある。これにより、上部電極層７がパターニングされ、下地層６の表面が露出する。 Subsequently, the upper electrode layer 7 (hard mask layer) is subjected to plasma dry etching using the resist layer 9 and the BARC layer 8 as a mask (S18). The gas for dry etching introduced into the etching chamber P2 is a chlorine-based gas, specifically Cl 2 or BCl 4 . As a result, the upper electrode layer 7 is patterned and the surface of the base layer 6 is exposed.
次に、搬送室１５の搬送ロボットを制御し、ロードロック室１６までウエハ（基板）を搬送し、ロードロック室１６からウエハを取り出す。次に、レジスト層９をＯ２プラズマによるアッシングで除去する（Ｓ１９）。なお、ＢＡＲＣ層８は、残しておくことができる。 Next, the transfer robot in the transfer chamber 15 is controlled to transfer the wafer (substrate) to the load lock chamber 16 and take out the wafer from the load lock chamber 16. Next, the resist layer 9 is removed by ashing with O 2 plasma (S19). The BARC layer 8 can be left.
次に、上部電極層７をマスクとして、上部電極層７よりも下部の層をドライエッチングする。したがって、ウエハをロードロック室１６に導入し、搬送室１５の搬送ロボットを制御して、ロードロック室１６からエッチングチャンバＰ２までウエハを搬送する。しかる後、上部電極層７（ハードマスク層）をマスクとして、下地層６、接着層ＡＤ、自由層５、トンネル障壁層４、固定層３、下部電極層２を、プラズマ化したエッチングガスで、ドライエッチングする（Ｓ２０）。エッチングチャンバＰ２に導入するドライエッチング用のガスは、酸素を含むガスであり、具体的には、ＣＯ、Ｏ２である。基板１の表面が露出した時点で、エッチングを停止する。図２に示された磁気抵抗素子は、２つに分離され、２つの磁気抵抗素子が完成する。 Next, using the upper electrode layer 7 as a mask, the layers lower than the upper electrode layer 7 are dry-etched. Therefore, the wafer is introduced into the load lock chamber 16 and the transfer robot in the transfer chamber 15 is controlled to transfer the wafer from the load lock chamber 16 to the etching chamber P2. Then, using the upper electrode layer 7 (hard mask layer) as a mask, the underlayer 6, the adhesive layer AD, the free layer 5, the tunnel barrier layer 4, the fixed layer 3, and the lower electrode layer 2 are converted into plasma by an etching gas. Dry etching is performed (S20). The gas for dry etching introduced into the etching chamber P2 is a gas containing oxygen, and specifically, CO and O 2 . The etching is stopped when the surface of the substrate 1 is exposed. The magnetoresistive element shown in FIG. 2 is separated into two to complete two magnetoresistive elements.
以上、説明したように、上述の磁気抵抗素子の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、１つの工程では、基板１上に、金属層（下部電極層２）及び磁性層（Ｃｏ層、Ｐｔ層、ＣｏＰｔ層、ＣｏＦｅ層を含む固定層３及び自由層５）を含む多層膜ＭＬ（下部電極層２、固定層３、トンネル障壁層４、自由層５）を形成する。１つの工程では、多層膜上に下地層６を形成する。１つの工程では、下地層６上に、下地層６と同一晶構造を有するエッチングマスク層（上部電極層７）を形成する。多層膜上に、エッチングマスク層（ＴｉＮ）と同一の結晶構造を有する下地層（ＭｇＯ）を形成した場合、エッチングマスク層の結晶性が改善する。 As described above, the method of manufacturing the magnetoresistive element described above includes the following steps. That is, in one step, a multilayer film ML including a metal layer (lower electrode layer 2) and a magnetic layer (Co layer, Pt layer, CoPt layer, fixed layer 3 including CoFe layer and free layer 5) on the substrate 1 in one step. (Lower electrode layer 2, fixed layer 3, tunnel barrier layer 4, free layer 5) are formed. In one step, the base layer 6 is formed on the multilayer film. In one step, an etching mask layer (upper electrode layer 7) having the same crystal structure as the underlayer 6 is formed on the underlayer 6. When the underlayer (MgO) having the same crystal structure as the etching mask layer (TiN) is formed on the multilayer film, the crystallinity of the etching mask layer is improved.
また、エッチングマスク層（上部電極層７）をエッチングによりパターニングした場合、エッチングマスク層の残渣が減少する。残渣は、デバイス形状に影響を与えるので、このエッチングマスク層を用いて、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 Further, when the etching mask layer (upper electrode layer 7) is patterned by etching, the residue of the etching mask layer is reduced. Since the residue affects the device shape, it is possible to reduce variations in the device shape after etching the multilayer film by using this etching mask layer.
一つの例示的実施形態において、下地層６は酸化マグネシウム層であり、エッチングマスク層は窒化チタン層であることができる。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、立方晶系の塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。窒化チタン（ＴｉＮ）も塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。ＭｇＯの格子定数は０．４２１ｎｍ、ＴｉＮの格子定数は０．４２４ｎｍである。これらの格子定数は近く、ＭｇＯとＴｉＮとの格子整合性は高い。したがって、エッチングマスク層の結晶性が改善し、残渣を低減することができる。 In one exemplary embodiment, the underlayer 6 can be a magnesium oxide layer and the etching mask layer can be a titanium nitride layer. Magnesium oxide (MgO) has a cubic sodium chloride type crystal structure. Titanium nitride (TiN) also has a sodium chloride type crystal structure. The lattice constant of MgO is 0.421 nm, and the lattice constant of TiN is 0.424 nm. These lattice constants are close to each other, and the lattice matching between MgO and TiN is high. Therefore, the crystallinity of the etching mask layer is improved and the residue can be reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さＴは０．３ｎｍ以上（０．３≦Ｔ）であることができる。この場合、エッチングマスク層の残渣の密度を著しく低減させることができる。 In one exemplary embodiment, the thickness T of the magnesium oxide layer can be 0.3 nm or greater (0.3≦T). In this case, the residue density of the etching mask layer can be significantly reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さは１．６ｎｍ以下（Ｔ≦１．６）であることができる。この場合、酸化マグネシウム層をトンネルできる電子数が増加し、十分にＭＲ比が高くなる。 In one exemplary embodiment, the thickness of the magnesium oxide layer can be 1.6 nm or less (T≦1.6). In this case, the number of electrons that can tunnel through the magnesium oxide layer increases, and the MR ratio becomes sufficiently high.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、エッチングマスク層（上部電極層）をパターニングする工程（Ｓ１８）と、パターニングされたエッチングマスク層をマスクとして、多層膜をエッチングする工程（Ｓ２０）とを含むことができる。エッチングマスク層の結晶性は改善しているので、エッチング後の残渣が減少し、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 In one exemplary embodiment, a method of manufacturing a magnetoresistive element includes a step of patterning an etching mask layer (upper electrode layer) (S18), and a step of etching a multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask ( S20) can be included. Since the crystallinity of the etching mask layer is improved, residues after etching are reduced, and variation in device shape after etching the multilayer film can be reduced.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造装置は、基板上の成膜の制御を行うコントローラ１３を備えるＺ（図６参照）。コントローラ１３は、上述の全ての工程を制御し、実行することができる。上述の手法により製造された磁気抵抗素子は、下地層６により、上部電極層７の結晶性を改善しつつ、バラつきを抑え、電気特性およびスループットを好適に維持することができる。 In one exemplary embodiment, a magnetoresistive element manufacturing apparatus includes a controller 13 that controls film formation on a substrate Z (see FIG. 6 ). The controller 13 can control and execute all the above-mentioned steps. In the magnetoresistive element manufactured by the above-described method, the underlayer 6 can improve the crystallinity of the upper electrode layer 7 while suppressing variations and maintaining the electrical characteristics and the throughput appropriately.
下地層６の材料としては、ＭｇＯが好ましいが、ＴｉＮと同一のＮａＣｌ構造を有する結晶として、ＭｇＯの他、ＣａＯ、ＣｄＯ、ＭｎＳ又はＰｂＳなどを用いても、ＴｉＮの結晶性が改善し、残渣が減少すると考えられる。 Although MgO is preferable as the material of the underlayer 6, the crystallinity of TiN is improved by using CaO, CdO, MnS, or PbS in addition to MgO as a crystal having the same NaCl structure as TiN, and the residue remains. Is expected to decrease.
また、磁気抵抗素子の本体部を形成する多層膜の構造としては、自由層としてＣｏＦｅ層を用い、固定層として、強磁性体層（ＣｏＦｅ）と反強磁性体層（ＰｔＭｎ）を結合したものを用いるなど、種々の層構造が考えられる。なお、上述の残渣の低減効果は、多層膜の構造に依存することなく、得られると考えられる。 The structure of the multilayer film forming the main body of the magnetoresistive element is a structure in which a CoFe layer is used as a free layer and a ferromagnetic layer (CoFe) and an antiferromagnetic layer (PtMn) are coupled as a fixed layer. Various layer structures are conceivable such as using. It is considered that the above-mentioned residue reduction effect can be obtained without depending on the structure of the multilayer film.
１…基板、２…下部電極層（金属層）、３…固定層（磁性層）、４…トンネル障壁層、５…自由層（磁性層）、ＡＤ…接着層、６…下地層、７…上部電極層（ハードマスク層、エッチングマスク層）、８…ＢＡＲＣ層、９…レジスト層、１０…磁気抵抗素子、１１…ガス供給源、１２…流量制御装置、１３…コントローラ、１４…高周波電源、１５…搬送室、１６…ロードロック室、１７…排気装置、Ｐ１…成膜チャンバ、Ｐ２…エッチングチャンバ、Ｓ１…ステージ、ＭＬ…多層膜。
1... Substrate, 2... Lower electrode layer (metal layer), 3... Fixed layer (magnetic layer), 4... Tunnel barrier layer, 5... Free layer (magnetic layer), AD... Adhesive layer, 6... Underlayer, 7... Upper electrode layer (hard mask layer, etching mask layer), 8... BARC layer, 9... Resist layer, 10... Magnetoresistive element, 11... Gas supply source, 12... Flow control device, 13... Controller, 14... High frequency power supply, 15... Transport chamber, 16... Load lock chamber, 17... Exhaust device, P1... Film forming chamber, P2... Etching chamber, S1... Stage, ML... Multilayer film.
Claims (10)
基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する工程と、
前記多層膜上に下地層を形成する工程と、
前記下地層上に、前記下地層と同一の結晶構造を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
を含む磁気抵抗素子の製造方法。 A method of manufacturing a magnetoresistive element, comprising:
A step of forming a multilayer film including a metal layer and a magnetic layer on the substrate,
Forming a base layer on the multilayer film,
A step of forming an etching mask layer having the same crystal structure as the underlayer on the underlayer,
A method of manufacturing a magnetoresistive element including:
前記エッチングマスク層は窒化チタン層である、
請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。 The underlayer is a magnesium oxide layer,
The etching mask layer is a titanium nitride layer,
The method for manufacturing the magnetoresistive element according to claim 1.
請求項２に記載の磁気抵抗素子の製造方法。 The thickness of the magnesium oxide layer is 0.3 nm or more,
The method for manufacturing the magnetoresistive element according to claim 2.
請求項２又は３に記載の磁気抵抗素子の製造方法。 The thickness of the magnesium oxide layer is 1.6 nm or less,
A method for manufacturing the magnetoresistive element according to claim 2.
パターニングされた前記エッチングマスク層をマスクとして、前記多層膜をエッチングする工程と、
を含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。 Patterning the etching mask layer,
Etching the multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask;
including,
The method for manufacturing the magnetoresistive element according to claim 1.
基板上の成膜の制御を行うコントローラを備え、
前記コントローラは、
前記基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する工程と、
前記多層膜上に下地層を形成する工程と、
前記下地層上に、前記下地層と同一の結晶構造を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
を実行する磁気抵抗素子の製造装置。 A manufacturing apparatus of a magnetoresistive element,
Equipped with a controller that controls the film formation on the substrate,
The controller is
Forming a multilayer film including a metal layer and a magnetic layer on the substrate,
Forming a base layer on the multilayer film,
A step of forming an etching mask layer having the same crystal structure as the underlayer on the underlayer,
An apparatus for manufacturing a magnetoresistive element for executing the above.
前記エッチングマスク層は窒化チタン層である、
請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The underlayer is a magnesium oxide layer,
The etching mask layer is a titanium nitride layer,
The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 6.
請求項７に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The thickness of the magnesium oxide layer is 0.3 nm or more,
The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 7.
請求項７又は８に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The thickness of the magnesium oxide layer is 1.6 nm or less,
The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 7.
前記エッチングマスク層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記エッチングマスク層をマスクとして、前記多層膜をエッチングする工程と、
を実行する、請求項６〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The controller is
Patterning the etching mask layer,
Etching the multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask;
The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 6, which carries out the step.
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